Энергия из сорняков

На фоне усилий по снижению углеродных выбросов всё большее внимание уделяется поиску альтернативных видов твердого биотоплива. Австралийские учёные провели всестороннюю оценку потенциала инвазивных сорных растений как источника энергии — с акцентом на их переработку в топливные пеллеты. В работе, опубликованной в журнале Sustainable Energy Technologies and Assessments (август 2025), исследованы 15 видов древесных и травянистых сорняков, включая такие как лантана, ночная паслёнка (Brazilian Nightshade) и спаржевая лиана (Climbing Asparagus).

Авторы исследования — Бруно Рафаэл де Алмейда Морейра, Самир Пунде, Дэмиан Хайн и Судхир Ядав — задались вопросом: возможно ли использовать сорную биомассу не как отход, а как ресурс? Ответ они искали через изучение химического состава растений, оптимальных условий прессования и соответствие готовых пеллет международным стандартам (ISO 17225, ENplus®).

В эксперименте растения собирались в районе Ипсвич, Квинсленд. Отбирались только надземные части, что отражает типичную практику управления сорняками. Сырьё сушили, измельчали и просеивали до фракции 0,5 мм. После этого подбирались параметры прессования: температура от 25 до 100 °C и давление от 50 до 150 бар.

Особое внимание уделялось содержанию лигнина — вещества, отвечающего за прочность и энергетическую ценность пеллет. Среди древесных видов наиболее лигнинонасыщенной оказалась Easter Cassia (22,1 %), среди травянистых — ночная паслёнка и спаржевая лиана (по 24,2 %). Авторы подчеркивают, что именно высокое содержание лигнина обеспечивало этим видам лучшие показатели прочности и плотности.

Так, пеллеты из ночной паслёнки достигали плотности 208 кг/м³ и демонстрировали устойчивость к разрушению на уровне 97,3 %. При этом зольность оставалась на приемлемом уровне — около 2,9 %. По словам авторов, это позволяет отнести такой продукт к классу A по ISO-стандарту. В свою очередь, пеллеты из мексиканской руэллии отличались крайне высокой зольностью (до 37 %), что делает их менее пригодными для термической переработки.

«Наша задача заключалась в том, чтобы не просто определить пригодность этих видов, но и выявить оптимальные условия прессования для получения топлива требуемого качества», — объяснил Бруно де Алмейда Морейра. Для этого использовались модели отклика поверхности (RSM), которые позволили оценить влияние температуры и давления на прочность и плотность пеллет.

Кроме прочности, исследователи проанализировали визуальные характеристики пеллет — цвет, текстуру, хрупкость. Пеллеты из паслёнки, мексиканской руэллии и китайской цельтисы оказались светлее и более однородными по размеру частиц, что повысило их устойчивость к разрушению при транспортировке. В то же время, пеллеты из касторового растения и лантаны требовали более бережного обращения из-за низкой механической связности.

Изучалась и зольная составляющая. Высокое содержание калия, натрия и кремния, особенно в травянистых сортах, может вызывать коррозию и шлакообразование при сжигании. Например, у сигнальной травы зольность составила 7,6 %, а у сингарской маргаритки — 11,1 %. В контексте применения в энергоустановках это ограничивает использование таких пеллет без предварительной обработки.

Проведённый анализ показал: зольность тесно связана с минеральным составом сырья и негативно коррелирует с теплотворной способностью. В то же время, высокий уровень углерода, как у паслёнки (43,2 %) и Easter Cassia (43,4 %), ассоциировался с более высокой энергетической ценностью — до 4,8 ГДж/м³ у дикого табака.

Несмотря на высокие показатели некоторых видов, плотность многих пеллет (включая пеллеты из пальм и трав) оставалась ниже установленных нормативов (600 кг/м³ для ENplus® A1). Это означает, что для удовлетворения логистических требований такие пеллеты либо нуждаются в дополнительных добавках, либо в сочетании с другими видами сырья. Один из возможных вариантов — ко-пеллетирование, то есть смешивание с древесными остатками, обладающими большей плотностью и меньшей зольностью.

Применение главных компонентных анализов (PCA) позволило выявить факторы, наиболее влияющие на качество пеллет: содержание зольных элементов, лигнина и размер частиц. Так, Mexican Ruellia доминировала в переменных, связанных с зольностью, а паслёнка — в плотности и теплотворной способности.

Исследование подчеркивает потенциал сорных растений как источника устойчивой биоэнергии, при условии предварительной оптимизации технологии. Однако, по словам Самира Пунде, для масштабной реализации необходимы дополнительные исследования на пилотных и промышленных установках, а также разработка нормативов, адаптированных под биомассу с атипичным минеральным профилем.

Как отмечают авторы, успешная интеграция такого сырья в биоэнергетические цепочки может одновременно способствовать контролю инвазивных видов и снижению выбросов парниковых газов. Для Австралии, где площадь, занятая некоторыми видами сорняков, достигает миллионов гектаров, это может стать реальным шагом к углеродной нейтральности.

Финансирование проекта было обеспечено Университетом Квинсленда в рамках Agri-Food Innovation Alliance при поддержке правительства Австралии.